具備濾波效果的帶開路枝節(jié)的PIFA天線設(shè)計

秦祥宏

（深圳市共進電子股份有限公司，廣東 深圳 518122）

0 引言

Wi-Fi已經(jīng)成為人們接入無線網(wǎng)絡(luò)的主要方式，隨著無線產(chǎn)品的大量應(yīng)用，人們對無線連接速率、穩(wěn)定性的要求不斷上升，現(xiàn)在高速Wi-Fi6(IEEE802.11AX)雙頻已經(jīng)推出市場，未來增加Wi-Fi6E的6 GHz頻段，這些頻段的信道寬度從20 MHz、40 MHz、80 MHz、160 MHz、320 MHz不斷的增加，相鄰信道之間的干擾就逐漸嚴(yán)重，或者帶外雜散信號的干擾程度也在加劇。

對于信道間的干擾問題，可以從電路上去修改設(shè)計，增加濾波器抑制信道帶外雜散，提升信道隔離段抑制等技術(shù)，但是帶來的弊端是很明顯的。假如在天線端如果能夠?qū)崿F(xiàn)濾波的功能，疊加電路端的濾波功能，共同實現(xiàn)對干擾的抑制，將是一個低成本的可行方法。本文提出一種應(yīng)用于Wi-Fi頻段（2.4 GHz）的PIFA天線，采用增加開路枝節(jié)的設(shè)計方法，可明顯改善對近帶和遠(yuǎn)帶頻段的抑制度。通過仿真分析和實物的測試驗證，確認(rèn)了本設(shè)計的可行性。

1 PIFA天線概述

平面倒F天線（PIFA）是平面單極子天線的一種變形，其目的是為了解決倒L天線輸入阻抗不易調(diào)節(jié)的問題[1]。在天線的饋電端，電流最大而電壓最小，電流沿著天線逐漸減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)末端時，電壓最大而電流最小。按照阻抗與電壓和電流的關(guān)系，在天線的輸入端阻抗最小，最末端阻抗最大，根據(jù)基本理論可知，半波偶極子的阻抗為73.1 Ω，單極子是半波對稱振子的一半，則其阻抗為36.5 Ω[2]。通常通信設(shè)備射頻端口特性阻抗為50 Ω，所以阻抗并不匹配。由于PIFA天線上阻抗沿著本體在變化，所以必然能在輸入端和末端找到一點，從這點引出饋電點來匹配50 Ω，這就是倒F天線的由來。如圖1所示。

圖1 常規(guī)PIFA結(jié)構(gòu)

平面倒F天線最大的優(yōu)點就是可以改變饋電位置，將輸入阻抗調(diào)整至50 Ω，在設(shè)計倒F天線的時候，主要有三個結(jié)構(gòu)參數(shù)決定天線的輸入阻抗、諧振頻率和阻抗帶寬等性能[3]。這三個結(jié)構(gòu)參數(shù)分別是天線的諧振長度L，天線的高度H及兩條垂直臂之間的距離S。各個參數(shù)的具體影響如下：

（1）當(dāng)L長度增加時，天線的諧振頻率降低，輸入阻抗降低。反之，當(dāng)L長度減小時，天線的諧振頻率升高，輸入阻抗變大。

（2）當(dāng)H增加時，諧振頻率降低，輸入阻抗增加。當(dāng)H減小時，諧振頻率升高，輸入阻抗減小。

（3）當(dāng)S增加時，諧振頻率升高，輸入阻抗減小。當(dāng)S減小時，諧振頻率降低，輸入阻抗增加。

按照上述原則[4]構(gòu)建一個常規(guī)PIFA天工作在Wi-Fi的2.4 GHz頻段，模型設(shè)計完成后，通過仿真軟件CST進行相關(guān)計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 常規(guī)PIFA基本形態(tài)

解讀圖3所示常規(guī)PIFA的S11圖可以知道，天線在2.4～2.5 GHz頻段中，S11已經(jīng)達(dá)到最低-30 dB的低點，完全可以滿足回波損耗的技術(shù)參數(shù)要求，需要看臨近頻率點的S11相差值有多大。

圖3 常規(guī)PIFA的S11圖

表1 常規(guī)PIFA仿真S11各頻點值

長期以來，我們都是可以接受這個指標(biāo)的，并沒有覺得有什么不妥，但是在實際的產(chǎn)品設(shè)計和調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)一些很嚴(yán)重的問題。例如，在2.4 GHz頻段與5 GHz頻段兩個信號通道同時工作時，主板2.4 GHz頻段主晶振的諧波分量嚴(yán)重干擾5 GHz頻段，導(dǎo)致5 GHz頻段的無線流量出現(xiàn)快速下降，一旦關(guān)閉2.4 GHz頻段信號，5G頻段無線流量恢復(fù)正常。再例如，10 Gbps的GPON模塊對2.4 GHz頻段信號有明顯的干擾阻塞作用，一旦同時處于工作狀態(tài)，2.4 GHz頻段無線信號流量會明顯下降，關(guān)閉GPON模塊后，2.4 GHz頻段信號流量恢復(fù)正常，所以這些信號都在相互干擾，形成復(fù)雜的竄擾機制。常規(guī)解決方案就是采用引言中所提到的，在PCB的信號通路中增加濾波器以抑制干擾，將干擾信號降低到可以對有用信號基本不產(chǎn)生負(fù)面效果的程度，但是如此以來，又出現(xiàn)了幾個方面的副作用：一是大幅增加成本；二是明顯增加信號通道的衰減；三是增加電路設(shè)計難度。

PIFA天線因為先天的小尺寸的優(yōu)勢，在各種小型通信產(chǎn)品中應(yīng)用極為廣泛[5]，但是對PIFA天線的抗干擾性的研究、從濾波功能方向去思考的文獻(xiàn)很少，說明這個思路還需要挖掘更好的設(shè)計方法。

2 天線改進設(shè)計

本文提出一種新的帶濾波效果的PIFA天線，在常規(guī)PIFA的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改變天線的接地結(jié)構(gòu)，在接地塊上端形成開路線，此開路線同時也成了PIFA天線的饋電點的接地點，然后在開路線上選取一個點形成輔助的短路線，建立圖4的仿真模型[6]，此模型與圖2所示的常規(guī)PIFA的尺寸基本相同，例如，大地面、天線高度、輻射振子長度、饋點位置都完全相同，天線的諧振頻率為2.4 ～2.5 GHz[7][8]。

圖4 改進型PIFA仿真模型

改進型PIFA仿真S11各頻點值如表2所示。

表2 改進型PIFA仿真S11各頻點值

從兩種天線在2.5 GHz有用頻點之外的臨近頻點，例如3 GHz和3.5 GHz兩個點的差值Δ可以看出明顯的變化，改進型天線模型在2.5 GHz到3 GHz這一段的駐波上升速率加快很多[9]。從表3的數(shù)據(jù)可以得出差值Δ，這一段的衰減抑制速率加快對信號的帶外衰減是非常重要的，可形成對鄰頻的明顯抑制作用。

表3 改進型和常規(guī)PIFA的頻點差值

在3 GHz這個頻點的差值是最大的，達(dá)到了7.346 dB，這個差值在實際產(chǎn)品中是可以等效為兩級LC微帶濾波器的抑制度，換種理解就是，天線已經(jīng)可以類似替代兩級LC濾波器的效果。

比較前后兩個PIFA的輻射場型，兩個模型的輻射場型基本一致，沒有出現(xiàn)信號畸變的情況，說明增加的開路線和短路線對天線輻射特性是沒有負(fù)面效果的。

從圖5、圖6可以看出，饋點是電流的最大位置，這個電流會在對應(yīng)的地面產(chǎn)生強烈的耦合電流，如果這個電流場被改變，那么天線的輸入端的阻抗就會改變，改進型的PIFA通過開路線的引導(dǎo)，電流場和大地是隔絕的，然后再經(jīng)過高阻抗的短路線與地形成連接，這種電流分布與常規(guī)PIFA上具有完全不同的阻抗值。本質(zhì)的差異就是改進型PIFA的輸入阻抗值是由饋點線、開路線、短路線、有限地、接地段組成的矩陣阻抗共同構(gòu)成，通過修改有限地的尺寸，可以改變諧振頻率，尺寸減小輸入端阻抗呈現(xiàn)容性，諧振頻率上移，反之則相反。常規(guī)PIFA的阻抗相對簡單，由饋點線、地面、接地段的矩陣阻抗形成。

圖5 常規(guī)PIFA表面電流分布

圖6 改進型PIFA表面電流分布

3 實物制作及測試結(jié)果

根據(jù)仿真的結(jié)果，我們制作了實物樣品（圖7），經(jīng)測試驗證，確認(rèn)實物樣品的性能與仿真結(jié)果吻合度很高。

圖7 天線實物

我們再來整理每個頻點的實測數(shù)據(jù)的差值Δ，并與仿真結(jié)果做個對比。

表4 實物樣品的測試數(shù)據(jù)對比

改進型和常規(guī)型PIFA天線的增益值和輻射效率分別如表5、表6所示。

表5 改進型和常規(guī)型PIFA天線的增益值

表6 改進型和常規(guī)型PIFA天線的輻射效率

圖7中，主板上面為帶開路枝節(jié)的改進型PIFA天線，主板下面為常規(guī)PIFA天線，尺寸按照仿真模型制作。中間的主板尺寸為100 mm×55 mm×1 mm，雙面板，板材使用FR4基板，銅箔厚度為0.035 mm（1盎司）。改進型和常規(guī)型PIFA天線的S11對比如圖8所示。

從表5、表6可以看出，改進型PIFA的增益值比常規(guī)性PIFA稍高，這可以解讀出輻射信號的覆蓋區(qū)域稍微集中，導(dǎo)致某一個區(qū)域信號峰值較高。

改進型PIFA的輻射效率與常規(guī)性PIFA基本持平，說明兩種天線的輻射特性基于同樣的基材條件下，是可以達(dá)到同樣的輻射性能的。

我們還整理出輻射圖形（圖9、圖10），因為改進型PIFA的接地點的不同，導(dǎo)致地電流分布差異非常大，該地電流是PIFA輻射的鏡像電流，此電流形狀改變必會導(dǎo)致PIFA天線的輻射方向的改變。

圖9 常規(guī)PIFA天線輻射圖

圖10 改進型PIFA輻射圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種具備濾波效果的帶開路枝節(jié)的PIFA天線設(shè)計方法，采用該方法設(shè)計的天線具備良好的輻射特性，該方法可以應(yīng)用于不同頻率的PIFA天線設(shè)計中，適用于小型電子產(chǎn)品的天線設(shè)計，可明顯提高邊帶抑制指標(biāo)。■